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Die Erfindung betrifft eine Nähmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die im Oberbegriff des Anspruchs 1 als bekannt angegebene Steuereinrichtung einer Nähmaschine für einen Schrittmotor in einer Nähmaschine (DE-PS 27 34 404) weist den Nachteil auf, daß durch den starken Stromanstieg in den Wicklungen des Motors und die daraus resultierende sehr schnelle Beschleunigung und Verzögerung des Rotors sowie der angetriebenen externen Massen bei der ruckweisen Ausführung der Drehschritte ein sehr großes Geräusch erzeugt wird. Außerdem treten Resonanzerscheinungen bei bestimmten Frequenzschritten des Schrittmotors und Pendelerscheinungen um die jeweilige Raststellung auf, wodurch sich noch zusätzlich ein Anstieg des Geräuschpegels ergibt.
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Durch die DE-OS 21 60 093 ist eine Nähmaschine bekannt geworden, bei der ein mit der Hauptwelle gekoppelter Synchronisator eine Vielzahl von Taktimpulsen liefert. Bei der Nähmaschine handelt es sich um eine mit konstanter Geschwindigkeit arbeitende Gruppenstich-Nähmaschine, so daß die Taktimpulse beim Betrieb der Nähmaschine mit konstanter Frequenz erzeugt werden. Die vom Synchronisator abgegebenen Taktimpulse werden entsprechend einer vorgegebenen Tabelle in unterschiedlich lange Impulsgruppen für die Beschleunigung, den Betrieb und die Abbremsung des jeweiligen Schrittmotors unterteilt. Mit dieser Maßnahme soll ein genau definierter, an die Steuerung eines trägheitsbehafteten Werkstückrahmens angepaßter Bewegungsablauf der auszuführenden Schrittfolgen der Schrittmotore erzielt werden. Am Ende jeder Taktimpulsgruppe wird ein Schrittimpuls an den jeweiligen Schrittmotor gegeben. Für jede vorbestimmte Schrittzahl des Schrittmotors muß dabei eine eigene Tabelle vorhanden sein, so daß die Anordnung einen erheblichen Steuerungsaufwand erfordert. Eine Anpassung der Schrittfrequenz an verschiedene Nähgeschwindigkeiten ist nicht vorgesehen.
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Durch die DE-OS 27 06 763 ist eine Nähmaschine bekannt, die für den Transport des Nähgutes neben dem normalen Stoffschieber zusätzlich eine zwangsläufig angetriebene Walze aufweist, welche von einem Schrittmotor angetrieben wird. Dieser Schrittmotor erhält seine Impulse von einem Impulsgeber, der am Hauptantriebsmotor der Nähmaschine angeordnet ist. Hierdurch erfolgt der Antrieb des Schrittmotors in Abhängigkeit von der Drehzahl des Hauptantriebsmotors. Der Schrittwinkel des Schrittmotors soll zur Veränderung der Transportlänge der Walze zwar veränderbar sein, jedoch enthält diese Veröffentlichung weder einen Hinweis über die Ausbildung der die Schrittwinkelveränderungen bewirkenden Steuermittel noch ist eine Aussage über die Art und Weise der Ansteuerung oder über das Bewegungsverhalten des Schrittmotors gemacht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für einen Schrittmotor zu schaffen, mit der die Geräuschbildung des Schrittmotors wesentlich unter den Bereich des Geräuschpegels gebracht wird, der durch den Betrieb der Nähmaschine entsteht, ohne daß dabei die Antriebseigenschaften des Schrittmotors beeinträchtigt werden.
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Diese Aufgabe wird bei einer Nähmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch die kennzeichnenden Merkmale diesers Anspruches gelöst.
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Durch die erfindungsgemäßen Merkmale wird bei niedrigen Geschwindigkeiten der Nähmaschine, bei der diese nur einen geringen Geräuschpegel verursacht, durch die niedrige Schrittfrequenz auch eine geringe Geräuschentwicklung des Schrittmotors erhalten. Infolge der geringen Drehzahl der Nähmaschine steht dem Schrittmotor auch eine längere Zeit für die Ausführung seiner Tätigkeit zur Verfügung, so daß hier keine zusätzlichen Probleme auftreten. Bei höheren Drehzahlen der Nähmaschine kann auch der Schrittmotor eine höhere Geräuschbildung annehmen, da dann das von ihm verursachte Geräusch im allgemeinen Geräuschpegel der Nähmaschine untergeht.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird der Bauteileaufwand gegenüber bekannten Lösungen wesentlich vermindert, so daß die Steuerung auch in den bei Nähmaschinen vorhandenen minimalen Raum unterbringbar ist. Ferner ist von Vorteil, daß sich ein langsamer An- und Auslauf des Schrittmotors ohne besondere Schaltmaßnahmen in das Steuerprogramm aufnehmen lassen.
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Die Änderung der Schrittfrequenz des Schrittmotors kann dabei stetig oder stufenweise in Abhängigkeit von der Motordrehzahl erfolgen.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit der Anpassung der Frequenzänderung des Schrittmotors an die Nähgeschwindigkeit ergibt sich durch die Maßnahmen nach den Ansprüchen 4 und 5.
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Eine weitere wesentliche Geräuschminderung des Schrittmotors ergibt sich durch die Steuerung des Schrittmotors nach den Ansprüchen 6 bis 8. Dadurch wird erreicht, daß die auszuführenden Einzelschritte des Motors nicht abrupt erfolgen, sondern in eine Mehrzahl von gleichförmig ausgebildeten Rampen- oder Treppenstufen unterteilt sind.
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Durch die DE-OS 28 03 201 und die DE-PS 24 36 201 sind zwar vier- bzw. fünfpolige Schrittmotore mit komplizierten Steuerungsanordnungen bekanntgeworden, die einen stufenweisen Verlauf der normal sinusförmigen Antriebskurve des Schrittmotors erzeugen; eine einfache Übertragung dieser bekannten Steuerungen zur Erzielung des Prinzips der stufenförmigen Abwandlung des sinusförmigen Schrittantriebes auf einen zwei Strangwicklungen aufweisenden Schrittmotor ist aber nicht gegeben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 1 bis 9 dargestellt. Es zeigt
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Fig. 1 die Ansicht einer Nähmaschine mit dem Antrieb der Überstich- und der Stichlängenverstellung durch Schrittmotore,
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Fig. 2 ein Blockschaltbild, das die Steuerung eines der Schrittmotore zeigt,
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Fig. 3 einen vereinfachten Schaltplan von der Stromregelung und der Endstufe eines Stranges des Schrittmotors,
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Fig. 4 den Verlauf der Steuer- und der Pegelspannungen sowie der Strangströme der beiden Strangwicklungen des Schrittmotors und den Drehwinkel seines Rotors,
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Fig. 5 den Spannungsverlauf in der Stromregelschaltung,
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Fig. 6 bis 9 je ein Flußdiagramm mit Einzelheiten der Verfahrensschritte der in den Programmspeichern der Mikrocomputer gespeicherten Programme.
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Wie die Fig. 1 zeigt, ist die Nähmaschine mit einer Hauptwelle 1 ausgestattet, welche über eine Kurbel 2 und einen Lenker 3 eine mit einer Nadel 4 versehene, in einer Führungsschwinge 5 gelagerte Nadelstange 6 in vertikale Hubbewegungen verseht. Die Führungsschwinge 5 ist dabei in dem nicht dargestellten Gehäuse der Nähmaschine mittels eines Zapfens 7 gelagert.
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Die Führungsschwinge 5 weist einen Ansatz 8 auf, der über einen Lenker 9 mit einer Kurbel 10 verbunden ist, die auf der Welle 11 eines im Gehäuse der Nähmaschine angeordneten Schrittmotors 12 zur Steuerung der Überstichbreite der Nadel 4 befestigt ist.
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Die Hauptwelle 1 treibt über eine nicht dargestellte Kette eine untere Welle 13 an. Auf der Welle 13 ist ein Zahnrad 14 befestigt, welches mit einem Zahnrad 15 in Eingriff steht, das auf einer parallel zur Welle 13 gelagerten Welle 16 befestigt ist. Auf dieser ist ein Hebeexzenter 17 festgeschraubt, welcher einen Nocken 18 trägt. Auf der Welle 16 ist ferner ein Exzenter 19 befestigt, der von einer Exzenterstange 20 umgriffen wird, an der mittels eines Bolzens 21 zwei Lenker 22 und 23 angelenkt sind. Der Lenker 22 ist über einen Bolzen 24 mit einem Winkelhebel 25 drehbar verbunden, der auf einer im Gehäuse der Nähmaschine befestigten Achse 26 drehbar gelagert ist und über einen Arm 27 des Winkelhebels 25 und eine Stange 28 mit einer Kurbel 29 verbunden ist, die auf der Welle 30 eines zweiten in dem Gehäuse der Maschine angeordneten Schrittmotors 31 befestigt ist, der die Steuerung der Stichlänge der Nähmaschine bewirkt.
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Durch einen Bolzen 32 ist der Lenker 23 mit einem Arm 33 eines auf der Welle 13 gelagerten Schwinghebels 34 gelenkig verbunden. Ein zweiter nach oben ragender Arm 35 des Schwinghebels 34 weist an seinem Ende einen Führungsschlitz 36 auf, in dem ein Zapfen 37 geführt ist. Dieser ist an einem Tragarm 38 befestigt, der auf einer horizontalen, im Gehäuse der Nähmaschine parallel zur Vorschubrichttung befestigten Achse 39 verschiebbar gelagert ist. An seinem freien Ende trägt der Tragarm 38 einen Stoffschieber 40, der zum Transport von Nähgut vorgesehen ist, welches von der Nadel 4 im Zusammenwirken mit einem nicht dargestellten Greifer vernäht wird. Der Tragarm 38 stützt sich über einen nach unten gerichteten Steg 41 auf den Nocken 18 des Hebeexzenters 17 ab.
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Die beiden Schrittmotore 12 und 31 sind in ihrem Aufbau und in ihrer prinzipiellen Steuerung identisch; es genügt daher für das Verständnis, die Beschreibung der Steuerung des Schrittmotors 12.
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Der Schrittmotor 12, der zur Steuerung des seitlichen Ausschlages der Führungsschwinge 5 gegenüber einer Mittelstellung dient, ist als Zweistrang-Schrittmotor ausgebildet. Er wird von einem Mikrocomputer 42 (Fig. 2) gesteuert, in dessen Speicher in bekannter Weise eine Vielzahl von beliebigen Nähmustern gespeichert sind.
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Am Mikrocomputer 42 ist ein von der Armwelle 1 der Nähmaschine gesteuerter Impulsgeber 43 angeschlossen, der bei jeder Maschinenumdrehung dann einen Impuls abgibt, wenn die Nadel 4 das Nähgut verlassen hat und der Schrittmotor 12 die Nadelstangenposition verstellen kann. Der Impuls wird zur Impulsformung einem Komparator 44 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Setzeingang S eines Flipflop-Schalters 45 verbunden ist. Der Rücksetzeingang R des Flipflop-Schalters 45 ist an einen Ausgang P 10 des Mikrocomputers 42 und der ≙-Ausgang des Flipflop-Schalters 45 an den °K&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;INT&udf53;lu&udf54;°k-Eingang des Mikrocomputers 42 angeschlossen.
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Gleichfalls am Mikrocomputer 42 ist ein Schwingquarz 46 angeschlossen, der eine impulsförmige Ausgangsspannung liefert.
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Der Mikrocomputer 42 ist über eine Gruppe von acht Datenleitungen 47 mit Zwischenspeichern 48 und 48&min; zur Übertragung der Steuerungsvorgänge für die in dem Schrittmotor 12 vorhandenen beiden Strangwicklungen 49 und 49&min; verbunden, die mit Konstantstrom- Chopperregelung betrieben werden. Außerdem ist der Ausgang P 11 des Mikrocomputers 42 über eine Leitung 50 mit dem Zwischenspeicher 48&min; und über ein in der Leitung 50 liegendes Nicht- Glied 51 mit dem Zwischenspeicher 48 verbunden.
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Da der Aufbau der Regelschaltung zwischen den Zwischenspeichern 48 bzw. 48&min; und den Strangwicklungen 49 bzw. 49&min; identisch ist, wird nur die Regelung für die Strangwicklung 49 beschrieben. Gleichartige Elemente in den beiden Regelkreisen sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Dem Zwischenspeicher 48 ist ein Digital-Analog-Wandler 52 nachgeschaltet, in dem eine Rampen- oder Steuerspannung U ST erzeugt wird. Diese wird über eine Leitung 53 einer Stromregelerstufe 54 zugeführt, in der sie mit einer Istspannung U I verglichen wird, die über eine Leitung 55 von einer Schrittmotor-Endstufe 56 geliefert wird. In der Stromreglerstufe 54 wird eine Taktspannung U T erzeugt und über eine Leitung 57 an die Endstufe 56 geleitet. An die Schrittmotor-Endstufe 56 sind die beiden Strangwicklungen 49, 49&min; des Schrittmotors 12 angeschlossen. Der Mikrocomputer 42 und die Endstufe 56 sind noch durch Leitungen 58 und 59 zur Übertragung von Schaltspannungen U&sub0; und U&sub1; verbunden. Außerdem ist die Stromreglerstufe 54 über eine Leitung 63 mit einem Zeitschaltkreis 64 verbunden.
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Der Mikrocomputer 42 ist durch eine weitere Gruppe von Leitungen 47 a mit einer Regelschaltung für den Schrittmotor 31 verbunden. Diese Regelschaltung stimmt mit der Regelschaltung für den Schrittmotor 12 überein und ist daher aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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In der Stromreglerstufe 54 (Fig. 3) ist ein als PID-Regler geschalteter Operationsverstärker 60 vorgesehen, an dessen nicht- invertierendem Eingang die Leitung 53 angeschlossen ist. An dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 60 ist über eine RC-Kombination die Leitung 55 angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers 60 ist über eine Leitung 61 an den invertierenden Eingang eines Komparators 62 angeschlossen, an dessen nicht invertierendem Eingang die Leitung 63 liegt, die mit dem Zeitschaltkreis 64 verbunden ist, der eine Sägezahnspannung U S liefert. Der Ausgang des Komparators 62 ist über die Leitung 57 an die Schrittmotor-Endstufe 56 angeschlossen.
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Der Zeitschaltkreis 64 weist einen Zeitgeber 65 auf, der über einen Widerstand 66 und eine Diode 67 mit einem Kondensator 68 verbunden ist, an den die Leitung 63 ebenfalls angeschlossen ist. Parallel zum Kondensator 68 liegt ein Entladeschaltkreis aus einem Transistor 69 und einem Widerstand 70.
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Im Mikrocomputer 42 werden die Schaltspannungen U&sub0; und U&sub1; erzeugt, die über die Leitungen 58 und 59 der Schrittmotor-Endstufe 56 zugeführt werden. Die Schaltspannungen U&sub0; und U&sub1; können vom Mikrocomputer 42 gesteuert den Wert 0 oder 1 annehmen.
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Die Leitung 58 ist an die Basis eines Schalttransistors 71 und über ein UND-Gatter 72 an die Basis eines Schalttransistors 73 geführt. An den invertierend ausgebildeten Eingang des UND-Gatters 72 ist außerdem die Leitung 57 angeschlossen. Die Leitung 59 ist an die Basis eines Schalttransistors 74 und über ein UND- Gatter 75 an die Basis eines Schalttransistors 76 geführt, wobei die Leitung 57 ebenfalls an den invertierend ausgebildeten Eingang des UND-Gatters 75 angeschlossen ist. Die Schalttransistoren 71, 73, 74 und 76 arbeiten als Schalter zur Zu- und Abschaltung bzw. Umschaltung des Betriebsstromes für die Strangwicklung 49 und bilden eine Brückenschaltung, in deren Brückendiagonale die Strangwicklung 49 liegt.
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Die Kollektoren der Schalttransistoren 73 und 76 sind an einer Anschlußleitung 77 für den Betriebsstrom angeschlossen. Die Emitter der beiden Schalttransistoren 71 und 74 sind an einem Meßwiderstand 78 angeschlossen, der mit Masse in Verbindung steht und an dem die Leitung 55 zum Abgriff der Istspannung U I angeschlossen ist.
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Zur Anpassung der Schrittfrequenz der Schrittmotore 12 und 31 an die Maschinendrehzahl ist ein zweiter Mikrocomputer 79 (Fig. 2) vorgesehen, der auch zur Drehzahlregelung der Maschine dient. Am Mikrocomputer 79 ist ein Impulsgeber 80 angeschlossen, der Impulse von einer auf der Armwelle 1 der Maschine befestigten Schlitzscheibe 81 erhält, die 96 Schlitze aufweist. Die Impulse werden einem Komparator 82 zugeführt, dessen Ausgang an den Rücksetzeingang R eines Flipflop-Schalters 83 angeschlossen ist. Der Setzeingang S des Flipflop-Schalters 83 ist mit dem Ausgang P 17 des Mikrocomputers 79 verbunden und der Q-Ausgang des Flipflop- Schalterd 83 mit dem Eingang T 0 des Mikrocomputers 79.
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An dem Mikrocomputer 79 ist eine Steuerschaltung 84 für einen Antriebsmotor 85 angeschlossen, der über einen nicht dargestellten Antriebsriemen mit der Armwelle 1 der Nähmaschine verbunden ist. Außerdem ist ein Schwingquarz 86 sowie ein Fußanlasser 87 angeschlossen. Der Mikrocomputer 79 dient u. a. zur Steuerung und Stabilisierung der durch den Fußanlasser 87 jeweils vorgegebenen Drehzahl der Nähmaschine. Der ALE-Ausgang des Mikrocomputers 79 ist mit einem Frequenzteiler 88 verbunden, dessen Ausgang an dem Eingang T 1 des Computers 79 liegt. Die Ausgänge P 25 und P 26 des Mikrocomputers 79 sind über zwei Leitungen 89 und 90 an den Mikrocomputer 42 angeschlossen, um diesem Drehzahlinformationen zu übermitteln.
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Die Anordnung arbeitet wie folgt:
Es sei angenommen, die Schaltspannung U&sub0; der Leitung 58 (Fig. 3) sei 1, die Schaltspannung U&sub1; der Leitung 59 sei 0 und die Taktspannung U T der Leitung 57 habe ebenfalls den Pegel 0. Infolge des Pegels 0 der Leitung 59 sind die beiden Schalttransistoren 74 und 76 gesperrt. Der Pegel 1 der Leitung 58 bewirkt ein Durchschalten der Schalttransistoren 71 und 73, da am Ausgang des UND- Gatters 72 sowohl durch die Leitung 58 als auch durch die Leitung 57 infolge des invertierenden Einganges das Signal 1 anliegt. Es fließt somit Betriebsstrom von der Leitung 77 über den Schalttransistor 73, die Strangwicklung 49, den Schalttransistor 71 und den Meßwiderstand 78 an Masse. Am Meßwiderstand 78 wird ein Spannungsabfall erzeugt, der als Istspannung U I über die Leitung 55 dem Operationsverstärker 60 zugeführt und hier mit der Steuerspannung U ST auf Leitung 53 verglichen wird. Der als PID-Regler geschaltete Operationsverstärker 60 erzeugt daraus eine Regelspannung U R , die über die Leitung 61 dem Komparator 62 zugeführt und dort mit der Sägezahnspannung U S verglichen wird, welche das Zeitschaltglied 64 liefert.
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Der Zeitgeber 65 erzeugt Rechteckimpulse mit konstanter Frequenz, die über den Widerstand 66 und die Diode 67 den Kondensator 68 aufladen. In den Impulspausen wird der Kondensator 68 über den Transistor 69 und den Widerstand 70 entladen. Am Kondensator 68 entsteht damit die Sägezahnspannung U S , welche über die Leitung 63 dem Komparator 62 zugeführt wird. Am Ausgang des Komparators 62 erscheint die Taktspannung U T , welche den beiden UND-Gattern 72 und 75 zugeführt wird.
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Fig. 5 zeigt den Verlauf der beiden Spannungen U R und U S am Komparator 62. Sobald der Spannungswert der Sägezahnspannung U S den Spannungswert der Regelspannung U R übersteigt, schaltet der Komparator 62 um und die Taktspannung U T an seinem Ausgang nimmt den Pegel 1 an. Damit erscheint am Ausgang des UND-Gatters 72 "0" und der Schalttransistor 73 wird gesperrt. Der Stromfluß durch die Strangwicklung 49 wird damit unterbrochen, wodurch die Istspannung U I absinkt und die Regelspannung U R leicht ansteigt. Sobald die Sägezahnspannung U S kleiner als die Regelspannung U R wird, schaltet der Ausgang des Komparators 62 auf 0, der Ausgang des UND-Gatters 72 hat wieder Pegel 1 und schaltet den Schalttransistor 73 wieder ein. Entsprechend der Größe der Regelspannung U R verändert sich auch die Dauer der Impulspausen der Taktspannung U T und damit auch die Dauer der Durchschaltung des Schalttransistors 73, wodurch sich auch die Größe des Strangstromes I ändert. Das Tastverhältnis der Taktspannung U T stellt sich dabei so ein, daß der Strangstrom I einem Abbild der Steuerspannung U ST gleicht.
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Um die Geräuschentwicklung des Schrittmotors 12 auf ein Mindestmaß herabzusetzen, ist eine fast kontinuierliche Bewegung des Rotors des Schrittmotors 12 anstelle einer Schrittbewegung vorgesehen. Dies wird durch einen zeitlich trapezförmigen Verlauf der normalerweise rechteckförmigen Form der Strangströme I und I&min; der beiden Strangwicklungen 49 und 49&min; erzielt. Dabei werden die vom Rotor auszuführenden Einzelschritte nicht abrupt ausgeführt, sondern der Übergang von einem Schritt zum anderen wird in eine Vielzahl von gleichförmigen Treppenstufen unterteilt, so daß praktisch eine fast gleichförmige Drehung des Rotors erreicht wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Strangströme I und I&min; der Strangwicklungen 49 und 49&min; des Schrittmotors 12 so gesteuert werden, daß ihre Form nicht mehr rechteckförmig, sondern trapez- oder treppenstufenförmig ausgebildet ist.
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Fig. 4 dient zur Erläuterung der Vorgänge. Es soll angenommen werden, der Rotor steht und beide Strangströme I, I&min; haben ihren positiven Sollwert (Diagramme c und d). Nun wird der Strangstrom I der Strangwicklung 49 linear auf 0 verkleinert. Dabei dreht sich der Rotor proportional mit. Ist der Strangstrom I der Strangwicklung 49 "0", wird die Stromrichtung durch Änderung der Schaltspannungen U&sub0; und U&sub1; umgeschaltet. Daraufhin wird der Strangstrom I linear bis zu seinem negativen Sollwert erhöht, wobei sich der Rotor ebenfalls kontinuierlich mitdreht. Jetzt wird der Strangstrom I der Strangwicklung 49 auf seinem negativen Sollwert gehalten und der Strangstrom I&min; der Strangwicklung 49&min; linear auf 0 verkleinert, dann die Stromrichtung durch Umschalten der Schaltspannungen U&min;&sub0; und U&min;&sub1; geändert und der Strangstrom I&min; anschließend wieder linear bis zu seinem negativen Sollwert erhöht, wonach sich der vorgeschriebene Vorgang wiederholt. Dabei dreht sich der Rotor immer linear mit; er macht also nicht mehr seine Normalschritte, sondern diese Normalschritte sind in kleinste Rampenschritte unterteilt. Die Geräuschentwicklung ist minimal und Resonanzeffekte treten praktisch nicht mehr in Erscheinung.
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Die lineare Verminderung und Vergrößerung der Amplituden der Strangströme I und I&min; wird durch die beiden Steuerspannungen U ST und U&min; ST (Diagramme a und b) für die Strangwicklungen 49 und 49&min; erreicht. Sie müssen dazu den in Fig. 4 gezeigten sägezahnförmigen Verlauf haben und natürlich gegenseitig phasenverschoben sein. Fig. 4 zeigt gleichzeitig, wie die gegenseitige Phasenlage der Schaltspannung U&sub0; und U&sub1; auf den Leitungen 58 und 59 und der im Digital-Analog-Wandler 52 erzeugten Steuerspannung U ST für die Strangwicklung 49 einerseits sowie der Schaltspannung U&min;&sub0; und U&min;&sub1; und der Steuerspannung U&min; ST für die Strangwicklung 49&min; andererseits die Drehrichtung des Schrittmotors
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12 bestimmt, dessen jeweiliger Drehwinkel φ im Diagramm d der Fig. 4 dargestellt ist.
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Die Erzeugung der Steuerspannung U ST für die Strangwicklung 49 (Fig. 2) erfolgt durch den Mikrocomputer 42. Der Impulsgeber 43 gibt bei jeder Umdrehung der Armwelle 1 einen Impuls über den Komparator 44 an den Flipflop-Schalter 45, worauf dessen ≙-Ausgang den Zustand 0 annimmt und dadurch über den °K&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;INT&udf53;lu&udf54;°k-Eingang des Mikrocomputers 42 eine Programmunterbrechung auslöst. Es läuft ein Unterprogramm °K&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;INT&udf53;lu&udf54;°k an. In diesem Unterprogramm (Fig. 9) wird zuerst der Flipflop-Schalter 45 durch einen kurzen Impuls vom Ausgang P 10 des Mikrocomputers 42 an den Eingang R des Flipflop- Schalters 45 zurückgesetzt. Dann wird der Wert der nächsten Nadelstangenposition aus dem Musterspeicher geholt und daraus die Anzahl der zurückzulegenden Rampenschritte des Schrittmotors 12 gerechnet und in ein als Zählregister dienendes Register, z. B. R 5 gegeben sowie die auszuführende Drehrichtung des Schrittmotors 12 bestimmt, indem Flag 1 und/oder 2 entsprechend abgeändert werden. Dann wird eine Programmunterbrechung durch ein internes Timerregister R 2 des Mikrocomputers 42 freigegeben und so lange erlaubt, bis die Anzahl der zurückzulegenden Rampenschritte ausgeführt ist, d. h., bis das Register R 5 den Inhalt 0 hat. Anschließend wird die Programmunterbrechung durch das Timerregister R 2 wieder gesperrt.
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Das im Mikrocomputer 42 vorhandene Timerregister R 2, ein 8-bit-Zähler, erhält Impulse von dem Schwingquarz 46 über zwei interne Impulsteiler im Verhältnis von 1 : 480. Durch die Impulsteiler wird die Frequenz des Schwingquarzes 46 von 6 MHz auf 12,5 KHz verringert. Jeder Zählimpuls der Festfrequenz von 12,5 KHz erhöht den Inhalt des Timerregister R 2 um den Betrag 1. Beim Überlauf von FF auf 00 erzeugt das Timerregister R 2 eine Programmunterbrechung und das Unterprogramm "Timer I" (Fig. 6) wird abgearbeitet.
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Das Timerregister R 2 kann mit einer Zahl (00 . . . FF) vorgeladen werden, um den Zeitabstand zu bestimmen, in welcher die Timerunterbrechung auftritt. Im Unterprogramm "Timer I" wird dazu das Timerregister R 2 jedes Mal wieder auf den gewünschten Wert vorgeladen, damit die nächste Unterbrechung im gleichen Zeitabstand auftritt. Es sei angenommen, daß das interne Register R 0 zur Bestimmung der Schaltspannungen U&sub0;, U&sub1; auf den Leitungen 58 und 59, das Register R 3 als Zählregister zur Erzeugung der Steuerspannung U ST und das Register R 5 als Zählregister für die Rampenschritte dient. Es sei weiterhin angenommen, daß beide Zwischenspeicher 48, 48&min; hexadezimal FF gespeichert haben. Dementsprechend hat auch das Register R 3 die Zahl FF gespeichert. Der Schrittmotor 12 soll stehen.
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Um nun den Anker des Schrittmotors 12 zu drehen, wird beispielsweise zuerst die Steuerspannung U ST für die Strangwicklung 49 zeitlinear auf 0 verkleinert. Dazu wird das Unterprogramm "Timer I" herangezogen, das bei jedem Durchlauf eine Weiterdrehung des Rotors des Schrittmotors 12 um einen Rampenschritt bewirkt und das so lange wiederholt wird, bis die Anzahl der erforderlichen Rampenschritte zur Erreichung der neuen Position der Nadelstange 5 durch den Schrittmotor 12 ausgeführt ist.
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In dem Unterprogramm "Timer I" wird zuerst das Timerregister R 2 auf eine durch den Mikrocomputer 79 vorbestimmter Zahl geladen, dann erfolgt ein erster Test, ob Flag 1 gesetzt ist, wobei Flag 1 gleich 1 bedeutet, daß der Inhalt des Registers R 3 abwärts gezählt werden soll. Ist Flag 1 gleich 0, d. h. nicht gesetzt, wird der Inhalt des Registers R 3 aufwärts gezählt. Ist der Test positiv, ist also Flag 1 gesetzt, wird das Register R 3 um 1 dekrementiert.
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Es folgt ein zweiter Test, bei dem geprüft wird, ob der Inhalt des Registers R 3 gleich 0 ist. Verläuft der Test positiv, werden die Bits 0 und 1 in Register R 0 vertauscht und auf die Leitungen 58 und 59 (siehe auch Fig. 2) gegeben. Anschließend wird der Inhalt von Flag 1 gewechselt.
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Danach wird der Inhalt von Register R 3 an denjenigen Zwischenspeicher 48 oder 48&min; gegeben, der durch Fig. 2 bestimmt ist. Dazu wird der Inhalt von Flag 2 auf die Leitung 50 gegeben. Ist Flag 2 gesetzt, geht der Inhalt des Registers R 3 infolge des Nicht-Gliedes 51 an den Zwischenspeicher 48, ist Flag 2 nicht gesetzt an den Zwischenspeicher 48&min;. Anschließend erfolgt ein dritter Test. Wenn der Inhalt des Registers R 3 FF ist, wird der Inhalt von Flag 2 gewechselt, im anderen Falle wird der Inhalt von Flag 2 beibehalten. Schließlich wird das Register R 5, welches die Rampenschritte zählt, dekrementiert. Nun ist das Unterprogramm beendet, und sein nächster Durchlauf kann beginnen, sobald das interne Timerregister R 2 dies veranlaßt.
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Ist bei dem ersten oben genannten Test Flag 1 nicht gesetzt, wird das Register R 3 um 1 inkrementiert. Es folgt hier ebenfalls ein zweiter Test, in dem geprüft wird, ob der Inhalt des Registers R 3 gleich FF ist. Bei positiver Prüfung wird der Inhalt von Flag 1 gewechselt, dann fährt das Programm, wie auch bei negativem Test durch Übergabe des Inhaltes von Register R 3 an einen der Zwischenspeicher 48 oder 48&min; weiter, wie es oben beschrieben ist.
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Es sei angenommen, daß bei der Übertragung des Inhaltes von Register R 3 an den Zwischenspeicher 48 (Fig. 2 und 3) dessen Inhalt um 1 erniedrigt wurde. Dieser neue Inhalt wird in dem nachgeschalteten Digital-Analog-Wandler 52 in einen neuen Wert der Steuerspannung U ST umgewandelt, dann im Operationsverstärker 60 mit der Istspannung U I von der Schrittmotor-Endstufe 56 verglichen und daraus die Regelspannung U R erzeugt. Durch Änderung der Regelspannung U R vermindert sich auch entsprechend den oben beschriebenen Schaltmaßnahmen der Strangstrom I der Strangwicklung 49 um eine Rampenstufe, wobei sich der Rotor ebenfalls um daß Maß einer Rampenstufe weiterdreht.
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Sobald der Inhalt des Registers R 3 den Wert 0 bei gesetztem Flag 1 annimmt, ist das Ergebnis beim zweiten Test des "Timer"- Programmes positiv und die Bits 0 und 1 in Register R 0 werden vertauscht und auf die beiden Leitungen 58 und 59 ausgegeben. Anschließend wird der Inhalt von Flag 1 gelöscht.
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Durch das Vertauschen der Bits 0 und 1 im Register R 0 verändert der Mikrocomputer 42 die auf den Leitungen 58 und 59 anstehenden Schaltspannungen U&sub0; und U&sub1;, wodurch auf der Leitung 58 die Schaltspannung den Wert 0 und auf der Leitung 59 die Schaltspannung den Wert 1 annimmt. Infolge des Pegels 0 der Leitung 58 sperren die beiden Schalttransistoren 71 und 73. Der Pegel 1 der Leitung 59 bewirkt dagegen ein Durchschalten der Schalttransistoren 74 und 76, so lange die am invertierenden Eingang des an UND-Gatters 72 durch die Leitung 57 anliegende Taktspannung U T gleich 0 ist. Die Richtung des Strangstromes I in der Strangwicklung 49 wird damit umgeschaltet und die Stromstärke durch die Strangwicklung 49 durch das "Timer"-Programm stufenweise bis auf ihren maximalen Sollwert erhöht.
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Sobald der zweite Test positiv ist, d. h., sobald der Inhalt des Registers R 3 FF entspricht, wird der Inhalt von Flag 1 wieder gewechselt, so daß beim nächsten "Timer"-Programm abwärts gezählt wird.
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Beim nächsten Schritt wird der Inhalt des Registers R 3 an das Zwischenregister 48 ausgegeben und dann wird das Register R 3 noch einmal getestet, ob sein Inhalt FF ist.
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Da dieser Test im vorliegenden Fall positiv verläuft, erfolgt eine Änderung des Inhaltes von Flag 2, so daß bei den folgenden "Timer"-Programmdurchläufen der Inhalt von Register R 3 nunmehr in den Zwischenspeicher 48&min; eingelesen wird. Dies bedeutet, daß bei den folgenden Schritten die Steuerspannung U ST und damit der Strangstrom I für die Strangwicklung 49 auf ihrem maximalen Sollwert verharren, während nunmehr die Steuerspannung U&min; ST und damit auch der Strangstrom I&min; für die Strangwicklung 49&min; sufenweise verändert wird.
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Durch das im festen Zeitraster aufgerufene Unterprogramm "Timer I" wird somit der Zwischenspeicher 48 mit einer Folge von Daten geladen, die der nachgeschaltete Digital-Analog-Wandler 52 in die Spannungsform U ST zur Steuerung des Strangstromes I für die Strangwicklung 49 umsetzt. Anschließend geschieht das gleiche mit dem Zwischenspeicher 48&min; und dem Digital-Analog-Wandler 52&min; zur Erzeugung der Spannungsform U&min; ST zur Steuerung des Strangstromes I&min; für die Strangwicklung 49&min;. In dem Zeitpunkt in dem die Steuerspannung U ST bzw. U&min; ST einer der beiden Strangwicklungen 49 oder 49&min; "0" werden, schaltet der Mikrocomputer 42 auch die entsprechenden Schaltspannungen U&sub0; und U&sub1; bzw. U&min;&sub0; und U&min;&sub1; um. Der Mikrocomputer 42 arbeitet dabei als Unterprogramm "Timer I" so oft ab, wie zum Weiterfahen des Schrittmotors 12 in die programmierte Stelle für die nächste Nadelstangenposition erforderlich ist.
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Zur Anpassung der Schrittfrequenz des Schrittmotors 12 an die Drehzahl der Nähmaschine mißt der Mikrocomputer 79 (Fig. 2) die aktuelle Drehzahl der Nähmaschine und gibt über die Leitungen 89 und 90 eine 2-bit-Geschwindigkeitsinformation an den Mikrocomputer 42, wonach dieser den Schrittmotoren 12 und 31 eine der Drehzahl der Nähmaschine entsprechende Schrittfrequenz erteilt. Dabei gilt als Geschwindigkeitsinformation:
- 0 auf der Leitung 90 und 0 auf der Leitung 89 entspricht einer Maschinendrehzahl von weniger als 100 U/min.
0 auf der Leitung 90 und 1 auf der Leitung 89 entspricht einer Maschinendrehzahl zwischen 100 U/min und 200 U/min.
1 auf der Leitung 90 und 0 auf der Leitung 89 entspricht einer Maschinendrehzahl zwischen 200 U/min und 400 U/min.
1 auf der Leitung 90 und 1 auf der Leitung 89 entspricht schließlich einer Maschinendrehzahl von mehr als 400 U/min.
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Ein internes Zählregister R 1 des Mikrocomputers 79 ist als Ereigniszähler programmiert, d. h., er zählt jede positive Flanke die am Eingang T 1 auftritt. Nun ist an den Eingang T 1 eine Frequenz von 80 kHz gelegt, die über den externen Frequenzteiler 88 im Verhältnis 1 : 3 aus der computerinternen Frequenz ALE erzeugt wird. ALE ist eine aus der Frequenz des angeschlossenen Schwingquarzes 86 intern durch 15 geteilte Frequenz. Dies bedeutet, daß das Zählregister R 1 infolge der Eingangsfrequenz von 80 kHz alle 12,5 µsec um 1 inkrementiert wird.
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Das Auslesen des Zählregisters R 1 bzw. eines später erwähnten Zählregisters R 4, die Erzeugung der Drehzahlinformation sowie das anschließende Löschen geschieht durch eine Softwareunterbrechung. Per Programm wird ständig der Eingang T 0 abgefragt und somit der Zeitpunkt festgestellt, in dem der vorgeschaltete Flipflop-Schalter 83 jeweils durch eine positive Taktflanke des Impulsgebers 80 gesetzt ist.
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Der Inhalt des Zählregisters R 1 wird bei jeder positiven Taktflanke, welche die Schlitzscheibe 81 im Impulsgeber 80 erzeugt, ausgegeben, ausgewertet und dann gelöscht. Der Inhalt des Zählregisters R 1 ist somit vor dem Löschen ein Maß für die Zeit zwischen zwei Taktimpulsen durch die Schlitzscheibe 81 und damit auch ein Maß für die Drehzahl der Nähmaschine. Da die 8 Bit des Zählregisters R 1 dabei für Drehzahlen unter 200 U/min nicht ausreichen, um alle Takte zählen zu können, wird ein zusätzliches Zählregisters R 4 für diesen Zählvorgang mit verwendet. Je größer der Wert in den beiden Zählregistern R 1 und R 4 ist, um so kleiner ist die Drehzahl der Nähmaschine. Der Inhalt des Zählregisters R 4 wird bei jedem Überlauf des Zählregisters R 1 von FF auf 00, wobei das Zählregisters R 1 eine Unterbrechung erzeugt, um 1 inkrementiert. Dies geschieht im Unterprogramm "Timer II", das durch den Überlauf des Zählregisters R 1 aufgerufen wird (Fig. 8). Ein Überlauf des Zählregisters R 4 von FF auf 0 bei nur geringer Drehzahl der Armwelle 1 wird durch Abfragen des Zählregisters R 4 im Unterprogramm "Timer II" auf Wert FF verhindert, da sonst bei einem Überlauf des Zählregisters R 4 von FF auf 0 Fehlinterpretationen entstehen würden.
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In Fig. 7 ist das Flußdiagramm für das Unterprogramm "INT TO" zur Anpassung der Schrittfrequenz der Schrittmotore 12 und 31 an die Nähmaschinengeschwindigkeit dargestellt. Dieses Unterprogramm läuft nach dem Setzen des Flipflop-Schalters 83 durch einen Impuls der Schlitzscheibe 81 ab. In dem Programm werden die Zählerstände im Zählregisters R 1 und im Zählregisters R 4 geprüft und ausgewertet. Zuerst setzt der Mikrocomputer 79 über seinen Ausgang P 17 den Flipflop-Schalter 83 wieder zurück. Dann wird das Zählregisters R 4 darauf getestet, ob sein Inhalt ≤1 ist. Wenn der Test positiv ausfällt, liegt die Maschinendrehzahl unter 100 U/min und der Mikrocomputer 79 gibt auf beide Leitungen 89 und 90 zum Mikrocomputer 42 das Potential 0. Der Mikrocomputer 42 begrenzt daraufhin die Schrittfrequenz der beiden Schrittmotore 12 und 31 auf 70 Hz.
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Fällt der Test negativ aus, wird ein zweiter Test des Zählregisters R 4 durchgeführt, ob sein Inhalt 0 ist. Wenn der Test negativ ist, liegt die Maschinendrehzahl zwischen 100 min und 200 U/min und es wird auf der Leitung 89 das Potential 1 und auf der Leitung 90 das Potential 0 an den Mikrocomputer 42 gegeben, der dann die Schrittfrequenz der Schrittmotore 12 und 31 auf 140 Hz erhöht.
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Fällt der Test positiv aus, wird ein Test des Zählregisters R 1 durchgeführt. Es wird geprüft, ob dessen Inhalt ≤128 ist. Fällt der Test positiv aus, dann liegt die Drehzahl der Nähmaschine zwischen 200 U/min und 400 U/min und der Mikrocomputer 79 gibt auf die Leitung 89 das Potential 0 und auf die Leitung 90 das Potential 1, wodurch der Mikrocomputer 42 die Schrittfrequenz der Schrittmotore 12 und 31 auf 270 Hz einreguliert. Beim negativen Test des Zählregisters R 1 liegt die Drehzahl des Maschinenantriebes über 400 U/min und der Mikrocomputer 79 schaltet auf beide Leitungen 89 und 90 das Potential 1, um dem Mikrocomputer 42 eine entsprechende Information zuzuleiten, so daß dieser die Schrittfrequenz der Schrittmotore 12 und 31 auf 800 Hz einreguliert. Am Schluß werden beide Zählregisters R 1 und R 4 gelöscht und stehen zu einer neuen Drehzahlüberprüfung bereit.
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Entsprechend der Verteilung der Potentiale auf den beiden Leitungen 89 und 90 wird das Timerregister R 2 des Mikrocomputers 42 mit einer anderen Zahl geladen, wodurch sich in weiter oben beschriebener Weise die wiederholten Abläufe des Unterprogrammes "Timer I" im gleichen Zeitraum verändern und damit auch die zeitliche Folge der ausgeführten Rampenschritte des Schrittmotors 12 und 31 an die Nähgeschwindigkeit angepaßt wird.